Em um estudo liderado por Sarah Worthan, Ph.D., pesquisadora de pós-doutorado no Laboratório Behringer da Universidade Vanderbilt, cientistas desenvolveram com sucesso culturas microbianas que possuem a capacidade de detectar mudanças de pH, permitindo respostas rápidas às flutuações ambientais.

Além de destacar o poder da evolução conduzida em laboratório, essa descoberta também levou à descoberta de mutações semelhantes na natureza em patógenos emergentes e simbiontes de corais — organismos que navegam por mudanças desafiadoras de pH em seus ambientes e são difíceis de estudar.

O novo artigo, "Evolução da terminação da transcrição sensível ao pH em Escherichia coli durante a adaptação à fome repetida de longo prazo", foi publicado no Proceedings of the National Academy of Science em 19 de setembro de 2024. O resultado principal deste trabalho é a descoberta de uma mutação nas populações de bactérias evoluídas independentemente que ocorre quando as bactérias são expostas a ciclos de fartura e fome.

De acordo com o artigo, essa mutação, onde um aminoácido arginina é substituído por uma histidina, ocorreu na proteína Rho, que está envolvida na terminação da transcrição de RNA. Mutações de arginina para histidina também foram observadas em cânceres e demonstraram conferir uma capacidade adaptativa de detecção de pH a proteínas oncogênicas. Em bactérias, essas mutações de arginina para histidina podem detectar pH e alterar a atividade da proteína Rho para impactar rapidamente como os genes são expressos.

O coautor Benjamin Bratton, Ph.D., professor assistente de Patologia, Microbiologia e Imunologia no VU Medical Center, liderou a obtenção de imagens para os experimentos de laboratório e a análise dos ensaios de pH, enquanto o coautor Marc Boudvillain, Ph.D., diretor de pesquisa do CNRS no Centre de Biophysique Moléculaire em Orléans, França, e químico por formação, liderou experimentos bioquímicos demonstrando a atividade alterada de Rho em ambientes de pH.

De acordo com Megan Behringer, Ph.D., professora assistente de Ciências Biológicas e principal pesquisadora do estudo, "Essa mutação em rho surgiu repetidamente em nossas culturas de evolução de laboratório. Nós rastreamos muitos fenótipos e lutamos para identificar os efeitos específicos da mutação Rho. Então, entramos em contato com Marc, e ele perguntou se tínhamos considerado que os efeitos poderiam variar com o pH.

"Foi quando retornamos aos nossos dados genômicos e notamos que cada mutação em rho coocorreu com uma mutação em um gene chamado 'ydcI'. Não se sabe muito sobre esse gene, mas estudos muito recentes sugeriram que ele pode ter um papel na homeostase do pH. Marc se ofereceu para rastrear nossa proteína Rho in vitro para pH e quando ele e [coautora] Mildred voltaram com os resultados, começamos a juntar toda a história."

"O Dr. Behringer entrou em contato comigo algumas semanas depois que meu laboratório foi inaugurado em Vanderbilt com esta observação interessante sobre o pH da solução, mas queria saber se havia uma maneira de medir o pH dentro de células individuais ", observou Bratton.

"Medir a fisiologia de células bacterianas individuais é uma das principais habilidades do laboratório de Bratton, então essa colaboração tem sido ótima. Embora as bactérias interajam entre si por meio de seu ambiente extracelular, as células individuais têm algum controle sobre seus ambientes intracelulares."

Boudvillain acrescentou: "Ficamos felizes em contribuir com os experimentos bioquímicos que mostram que a mutação Arg-para-His de fato regula a atividade Rho de maneira dependente do pH in vitro."

Após os experimentos de laboratório , a equipe foi procurar essas mutações em sistemas naturais.

De acordo com Behringer, "Nós o encontramos neste patógeno negligenciado, Bartonella baciliformis, que causa a Doença de Carniça nos vales andinos da América do Sul. Esta espécie de bactéria já era conhecida por sentir o pH, pois deve se ajustar rapidamente do intestino de insetos com pH alto para o pH neutro do sangue humano quando é transmitida por seu vetor, o flebotomíneo."

Esses resultados também têm implicações no mundo das esponjas marinhas. De acordo com o artigo, o pH do oceano forma gradientes em áreas específicas, como dentro de fontes hidrotermais ou dentro de corpos de esponjas. Micro-organismos que vivem dentro e ao redor dessas áreas precisam ser capazes de se adaptar rapidamente a ambos os ambientes. Sua expressão genética evoluída permite essa transição; no entanto, as mudanças climáticas podem alterar essas dinâmicas de maneiras sérias.

"Se o pH do oceano começar a se parecer mais com o pH da esponja, isso pode colocar em risco as bactérias e seus simbiontes", disse Behringer. "As bactérias podem perder a sugestão ambiental que induz o comportamento correto para seu ambiente atual."

Boudvillain disse que essa colaboração começou como um acidente feliz. Behringer primeiro entrou em contato com Boudvillain para ver uma figura suplementar que havia desaparecido de um site. Ao se conectarem, os dois perceberam que suas trajetórias de pesquisa se alinhavam bem.

"Fiquei muito feliz em participar desse trabalho interdisciplinar. Aprendi muito com Ben, Sarah e Megan", disse ele. "Foi um grande prazer e oportunidade trabalhar com esses colegas jovens e dinâmicos."